علاء الدين السيد

3

علاء الدين السيد

3

4,976

تمر هذه الأيام الذكرى الـ62 لرحيل أحد أبرز العقول العلمية التي أنجبها العالم، خصوصًا في القرن العشرين، ألبرت أينشتاين. ترك لنا العالم الألماني الأصل الأمريكي الجنسية الكثير من النظريات العلمية التي غيرت من وجه الفيزياء الحديثة، بالإضافة إلى العديد من التطبيقات التكنولوجية التي نستخدمها يوميًّا.

ورغم العديد من النظريات والاكتشافات والتجارب العلمية المميزة لأينشتاين، إلا أن نظريتيه النسبية الخاصة والعامة هما النظريتان اللتان أذهلتا العالم بالفعل، وإن مات أينشتاين ولم يقدم للعلم سوى هاتين النظريتين، فيكفيه فخرًا، وكان ليموت وهو راضٍ عن نفسه بالتأكيد.

الآن وبعد مرور قرن من الزمان، ما تزال نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين تعيد تشكيل الطريقة التي يفكر بها المجتمع العلمي في البحث عن نظرية كبيرة تصلح لكل شيء. ويصف أساس النسبية العامة كيف أن الكتلة والفضاء هما مترابطان ببعضهما البعض، وتنص على أن المادة يمكن أن تنحني وتشوه نسيج الفضاء والوقت بسبب آثار الجاذبية.

لكن آثار هذه النظرية تذهب أبعد من مختبرات الفيزياء، ولولا اكتشاف هذه النظرية – إلى جانب النظرية النسبية الخاصة قبلها- لم يكن من الممكن أن نتعرف إلى العالم الحديث كما هو عليه الآن، ولم نكن لنستطيع فهم عالمنا كما هو عليه الآن.

ومع ذلك، فإن الغالبية العظمى لتأثير النظرية النسبية، يكمن في أن آثارها تتجاوز مفهوم العلم نفسه. ففي حين أن نسبية أينشتاين خلقت فروعًا جديدة للدراسة في الفيزياء، وأحدثت ثورة في علم الفلك، إلا أن تأثيرها في الحياة اليومية والفلسفة والمجتمع كانت من الأمور الأكثر أهمية.

وقد استخدمت نظرية أينشتاين النسبية من قبل الفلاسفة والسياسيين والناشطين لقلب الفلسفة الأخلاقية رأسًا على عقب. فقد أصبحت النسبية وقودًا لمفاهيم ما بعد الحداثة، والنسبية الفلسفية. قبل النسبية، كان الفلاسفة، مثل أرسطو وكانط، يقولون إن هناك حقيقة مطلقة وطريقة مطلقة للوصول من مختلف جوانب الحياة. على سبيل المثال، رجل الأعمال الذي يمر على طفل يغرق في بركة هو ملزم بإنقاذ حياة الطفل.

ومع ذلك الآن، مع وجود النسبية، فإن الحقائق لم تعد مطلقة، ولكن بدلًا من ذلك تعتمد على وجهة نظرك الفلسفية الخاصة بك. فالحق والخطأ يتفاوتان الآن من شخص لآخر، وهي فكرة قبلت بسهولة؛ لأن ذلك يعني الآن أن كل وجهات نظرنا يمكن أن تعتبر صحيحة، إذ لا توجد حقيقة مطلقة. وبطبيعة الحال، تجدر الإشارة إلى أن هذه الحجة الفلسفية لا تقبل دائمًا في القوانين والأعراف الاجتماعية التي ننتجها.

سرعة الضوء ونسبية الوقت

جانب عملي آخر من حياتنا التي تأثرت بالنسبية، هو أحد الأمور التي أصبحت أساسية جدًّا في حياتنا لدرجة أنها تهرب من إدراكنا. إن فرضيات أينشتاين فيما يتعلق بالنسبية غيرت كثيرًا من الطريقة التي كان ينظر بها العلم التقليدي إلى بعض الجوانب الفيزيائية للكون.

ببساطة، فقد ذكر أينشتاين أن قوانين الفيزياء (والعلوم) هي نفسها بالنسبة لجميع المراقبين، بغض النظر عن سرعتها، وأن سرعة الضوء كانت ثابتة لجميع المراقبين، بغض النظر عن سرعتهم. على سبيل المثال، إذا كان الشخص الذي يسافر بسرعة 60 كيلومترًا في الساعة على متن حافلة قد ألقى كرة بسرعة 30 كيلومترًا في الساعة، فإن هذه الكرة سيبدو أنها تتحرك بسرعة 90 كيلومترًا في الساعة – مجموع السرعتين- لشخص ما يزال يقف على الأرض، ولكن هذه الكرة ستبدو أنها تسير بسرعة 30 كيلومترًا في الساعة فقط بالنسبة للشخص في الحافلة.

ومع ذلك، إذا أطلق الشخص في الحافلة شعاع ضوء، وشخص يقف خارج الحافلة يرى عملية الإطلاق هذه أيضًا، فإن سرعة الضوء تكون هي نفسها لكلا الشخصين على الأرض وفي الحافلة، وهي 300 ألف كيلومتر في الساعة تقريبًا. وذلك لأن الـ60 كيلومترًا الإضافية الخاصة بسرعة الحافلة لا تعني شيئًا.

الحدس الأولي يقول لنا إن هذا الأمر غير منطقي، فالسرعة يجري تحديدها عبر قياس المسافة بالنسبة للزمن. لذلك، إذا لم تتغير سرعة الضوء، فهذا يعني أنه يجب أن تغيير المسافة أو الزمن حتى تظل السرعة ثابتة دائمًا. لذلك، فواحدة من أكثر نتائج النسبية غير الاعتيادية هي أن الوقت نفسه هو النسبي!

فالأشياء التي كنا نظنها محددة وثابتة ومعروفة، لم تكن حقًّا كذلك. الوقت (والطول) أصبحا يعتمدان على وجهة نظرك، والظروف (أي الإطار المرجعي بالقصور الذاتي) التي شاهدت هذه «الثوابت» خلالها؛ مما جعلها تؤثر في الخصائص التي قمت بقياسها.

وكثيرًا ما كان ينظر للوقت بوصفه الشيء الثابت الوحيد في عالمنا. لكن تجرأ أينشتاين على القول بأنه يجب علينا الآن أن نعيد تفسير كيف ننظر إلى العالم من حولنا. وقد أدى هذا المفهوم الراديكالي إلى قلب العلم رأسًا على عقب، وأصبح من المسلم به على نطاق واسع أن هذا الاكتشاف أثر بطريقة أو بأخرى في حياة كل شخص على كوكب الأرض، بل إن حياة الجميع قد تأثرت دائمًا بالخصائص التي لم تكتشف بعد.

موجات الجاذبية

في عام 1916، وبناءً على تفسيرات النسبية العامة، توقع أينشتاين وجود نوع من الموجات تسمى موجات الجاذبية. هذه الموجات عبارة عن تموجات في انحناء الزمكان، والتي تنتشر كموجات وتتحرك خارج المصدر المسبب لها، وتقوم بنقل الطاقة في صورة إشعاع جاذبية.

من أبرز الأمور التي توضح لنا الفائدة الكبرى والأثر الممتد للنظرية النسبية، موجات الجاذبية هذه التي لم يتمكن العلماء من اكتشافها إلا العام الماضي فقط، في اكتشاف سيغير بالفعل معارفنا الفيزيائية الخاصة بالكون.

ووجود موجات الجاذبية هذه هو ممكن فقط تحت النسبية العامة، بينما النماذج القديمة للنظريات والقوانين الكلاسيكية مثل قوانين نيوتن، لا تصلح مطلقًا للتعامل مع مثل هذا النوع من المفاهيم الفيزيائية المعقدة. هذا الأمر راجع إلى أحد مبادئ النسبية التي توضح وجود سرعة محدودة خاصة بانتشار الموجات الناجمة عن التفاعلات المادية للجاذبية. على النقيض من ذلك، موجات الجاذبية لا يمكن أن تكون موجودة في نظرية نيوتن للجاذبية، التي تفترض أن التفاعلات الفيزيائية من الجاذبية تنتشر بسرعة لا نهائية.

أول اكتشاف غير مباشر لأمواج الجاذبية جاء في السبعينيات، من خلال مراقبة زوج من النجوم النيوترونية المدارية عن كثب. وكان تفسير الاضمحلال في مدارتها هو أن موجات الجاذبية تنبعث منها. وجرى تأكيد تنبؤ أينشتاين في 11 فبراير (شباط) 2016، عندما نشر باحثون في مختبر أبحاث ليجو أول ملاحظة فعلية لموجات الجاذبية.

تطبيقات النظرية النسبية

1- نظام الملاحة العالمي (GPS)

تتكون أنظمة الملاحة العالمية من 3 مكونات: هي وحدة التحكم، ووحدة الفضاء، ووحدة المستخدم. وحدة الفضاء تتكون من أقمار صناعية تدور في مدارات محددة. ووحدة التحكم تتمثل في محطة تستقبل جميع البيانات المرسلة من وحدة الفضاء.

هناك الكثير من التأثيرات «النسبية» التي تحدث في أنظمة الملاحة العالمية، جميع مكونات نظام الملاحة الثلاثة تتواجد في أطر مرجعية مختلفة، وبالتالي فإنه ينبغي توحيد هذه التأثيرات النسبية حتى يتم إعطاء معلومات دقيقة للمستخدم في النهاية.

بشكل أبسط، فإن السرعة التي تتحرك بها كل من الأقمار الصناعية والمحطة الأرضية والمستخدم مختلفة بشكل كبير، لذلك فإن الساعات الذرية المستخدمة في كل وحدة من الوحدات الثلاثة لن تتزامن نتيجة اختلاف السرعات، وبالتالي فلا بد من إعادة مزامنتها. هنا فإنه يتم الأخذ في الاعتبار مجموعة من المعايير، بينها مجال جاذبية كوكب الأرض.

القمر الصناعي غالبًا يدور على ارتفاع 20300 كيلومتر، بسرعة تقدر بحوالي 10000 كيلومتر في الثانية. نتيجة لهذا فإن هناك تأخير في وصول البيانات من الفضاء للأرض يقدر بحوالي 4 ميكروثانية كل يوم. وبإضافة عامل الجاذبية الأرضية، فإن التأخير يرتفع لحوالي 7 ميكروثانية كل يوم.

قد تظن أن هذه الأرقام قليلة جدًّا وغير ذات أهمية، ولكن عند تطبيقها بالفعل فإننا إن لم نأخذ في الاعتبار التأثيرات النسبية، فإن جهاز جي بي إس الذي سيخبرك أن المسافة بين بيتك ومكان عملك 800 متر فقط سيتحول في اليوم التالي ويخبرك أن بيتك أصبح على مسافة 8 كيلومترات.

2- القنبلة النووية

فاجأ أينشتاين العالم كله عندما أخرج معادلته التي تقول إنه يمكن تحويل الكتلة إلى طاقة والعكس. تسابق العالم في وقت من الأوقات خلال الحرب العالمية الثانية لتحويل هذه المعادلة الرياضية البسيطة التي تقول إن الطاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء.

هذا الأمر جعل العلماء يعملون بكل جدية لتحويل النظرية إلى تطبيق؛ لأنهم اكتشفوا أن الكتل هي عبارة عن طاقات ضخمة جدًّا مختزنة، وتحتاج إلى وسيلة لانطلاقها. بدأ العلماء يقتربون من تحقيق الحلم مع اكتشاف المواد المشعة؛ مما أوجد مثالًا واضحًا وطبيعيًّا عن كيفية تحول الكتلة إلى طاقة.

في عام 1932، تمكن العالم جيمس شادويك من اكتشاف النيوترون، والذي أصبح جسمًا مناسبًا للتجارب النووية؛ لأنه جسيم متعادل كهربائيًّا. استخدم الجسيم في قذف مواد مختلفة من أجل دراسة الإشعاع. وفي عام 1938، كانت التجربة الأكثر إثارة عندما تم قذف اليورانيوم بنيوترون ليفاجأ العلماء بحدوث عملية انشطار للنواة تسببت في خروج جسيمات جديدة من النيوترونات ليتحول هذا التفاعل إلى تفاعل متسلسل.

عام 1942، تم بناء أول مفاعل نووي في الولايات المتحدة الأمريكية، وتدشين مشروع «مانهاتن» الذي قام بوضع البلوتونيوم كمادة في أول قنبلة نووية تعرفها البشرية.

3- المولد الكهربي

تعتمد فكرة المولد الكهربائي على خاصية فيزيائية تسمى الكهرومغناطيسية. والكهرومغناطيسية ما هي إلا أحد تطبيقات نسبية أينشتاين. فإذا ما أخذت سلكًا معدنيًّا وقمت بتمريره داخل مجال مغناطيسي فستلاحظ نشأة تيار كهربي في السلك المعدني.

كان العلماء يعتقدون أنه إذا ما قمنا بتثبيت السلك المعدني وتحريك المجال المغناطيسي فإنه لن ينشأ تيار كهربي في هذه الحالة. لكن الحقيقة عكس ذلك، وسيتم توليد تيار كهربي بالفعل في هذه الحالة. الكرومغناطيسية تعمل من خلال مبدأ النسبية.

فعندما يمر تيار كهربي متردد خلال سلك ما، فإن الإلكترونات السالبة تتدفق عبر هذا السلك. السلك من الخارج يبدو متعادل الشحنة؛ إذ إن عدد الإلكترونات السالبة مساوٍ لعدد البروتونات الموجبة. لكننا إذا وضعنا سلكًا آخر يحمل تيارًا كهربيًّا بجوار السلك الأول سنلاحظ أن السلكين يتنافران، وهو ما يعني أن كلًّا منهما يحمل نفس الشحنة.

هنا يأتي دور النسبية، فإذا افترضنا أن اتجاه التيارين واحد في السلكين، فإن الإلكترونات في السلك الأول سترى الإلكترونات في السلك الثاني ساكنة، وبالتالي سيبدو أن البروتونات في كلا السلكين متحركة، وبسبب انكماش الطول النسبي فسيبدو أن البروتونات متقاربة جدًّا، وبالتالي فسيتم ملاحظة أن هناك عددًا أكبر من الشحنات الموجبة أكثر من الشحنات السالبة في نفس الطول من السلك، وبالتالي فسيتنافر السلكان عن بعضهما.

4- الثقوب السوداء

عندما تكون النسبة بين كتلة جسم إلى نصف قطره كبيرة جدًّا بشكل كافٍ، فإن النظرية النسبية تتنبأ بتكون ثقب أسود. الثقب الأسود هو منطقة من الكون حيث لا يستطيع أي شيء الهرب من جاذبيته حتى الضوء نفسه. أهمية الثقب الأسود تكمن في أنه هو المركز الرئيسي لأي مجرة، ولولاه لما وجدت المجرة.

يرجع ذلك إلى أن الثقب الأسود تبلغ كتلته كتلة ما بين بضعة ملايين إلى بضعة مليارات من كتلة الشمس في مساحة تزيد بعض الشيء عن مساحة الشمس. هذا الأمر يكون مجالًا للجاذبية لا يمكن تصوره؛ مما يسمح بجذب الملايين بل المليارات من النجوم في مدارها.

أينشتاين بعيدًا عن النسبية

يظن بعض الناس أن أينشتاين لم يكتشف في حياته سوى النسبية فقط، وأنه لم يقدم للعلم إلا نظرية وحيدة، رغم ضخامتها، ورغم أن مجرد فهمها واستيعابها يمثلان فخرًا لأي شخص، فماذا عن ابتكارها في ذلك الوقت؟ لكن الحقيقة أن أينشتاين قدم للعلم الكثير والكثير من الاكتشافات والاختراعات المذهلة، والتي تسببت في ظهور تطبيقات وتقنيات لا حصر لها حتى يومنا هذا، بل إن آثارها يتوقع أن تستمر كثيرًا في المستقبل أيضًا.

في عام 1827، لاحظ عالم النبات، روبرت براون، تحت مجهره حركة بوغات، أو حافظات الجراثيم الطافية في الماء، والمتميزة بتنقلاتها وحركاتها العشوائية طوال الوقت. تفسير ذلك كان مرده لاعتقاد العلماء بالحركة العشوائية لجزيئات الماء، والتي تقوم بضرب هذه البوغات الجرثومية، فتحركها في كل مكان، دون اتباع مسار محدد.

لكن أول عملية معالجة نظرية مُرضية للحركة البراونية، كانت تلك التي قام بها ألبرت أينشتاين في عام 1905. وقد مكنت نظرية أينشتاين من الوصول للتنبؤات ذات الدلالة الإحصائية، حول حركة الجسيمات الموزعة بشكل عشوائي في السوائل. وتأكدت هذه التوقعات في وقت لاحق من قبل التجربة.

اكتشاف آخر. كان من المعروف أنه عندما يشع الضوء على بعض المواد، فإن هذه المواد تقوم بإخراج عدد من الإلكترونات، وكان من المعروف أيضًا أن عدد الإلكترونات المنبعثة، وليس كمية الطاقة، يزداد عندما تزداد قوة الضوء. ووفقًا للنظرية الكلاسيكية، فإنه عندما يضرب الضوء، الذي يعتقد أنه يتألف من موجات، هذا النوع من المواد، فإن الطاقة الخاصة بالإلكترونات المحررة يجب أن تكون متناسبة مع شدة الضوء. وبعبارة أخرى، فإن الطاقة المنبعثة من المواد التي يضربها الضوء، تتغير وتخرج على هيئة كميات منفصلة متتابعة، وليس بطريقة مستمرة، كما لو أنها تيار كهربائي متردد، بدلًا من التيار الكهربي المستمر.

وقد اقترح أينشتاين أنه في ظل ظروف معينة، فإن الضوء يمكن اعتباره مكونًا من جسيمات، وليس موجات، لكنه افترض أيضًا أن الطاقة التي يحملها أي جسيم، من جسيمات الضوء هذه، وتسمى الفوتونات، تتناسب مع تردد الإشعاع، أو طوله الموجي. هذا الاقتراح، والمتضمن انتقال الطاقة الواردة ضمن شعاع الضوء، في صورة وحدات فردية «فوتونات»، تتناقض مع التقاليد العلمية القديمة، المستمرة حينها قرابة مائة عام، والمفسرة لحدوث عملية خروج الإلكترونات هذه، بطريقة مستمرة، نتيجة للطبيعة الموجية للضوء.

أينشتاين بهذا يكون قد أحدث ثورة علمية غير مسبوقة، ويكون أول من أشار لفكرة الطبيعة المزدوجة لبعض الجسيمات ما دون الذرية، وبالفعل لم يتمكن أحد من استيعاب هذه النظرية الجديدة إلا بعد مرور عقد من الزمان، عندما قام العالم الأمريكي روبرت أندروز ميليكان بإثبات هذه النظرية عمليًّا.

أضف إلى هذا تفسيره للون السماء الأزرق، وظاهرة تكاثف بوز- أينشتاين، وثلاجات أينشتاين التي لا تحتاج إلى الكهرباء.

تعليقات الفيسبوك